“種”一臺發(fā)電機

編譯 葛興芳

“種”一臺發(fā)電機

編譯 葛興芳

如果這項技術(shù)取得成功，它將徹底改變我們的生活——無論是在沼澤地里，還是在長滿雜草的溝渠中，抑或在破舊的瓦罐中，植物都能發(fā)電。

2006年的一天，美國發(fā)明家戈登·瓦爾德在一棵樹的樹干上釘了一根鋁釘，在樹下的土壤里插入一個銅電極，然后用導線將鋁釘和電極連接起來形成回路，結(jié)果他檢測到回路中有電流通過。他申請了專利，并與波士頓一家小型電子公司合作，開始探索如何獲得在這個過程中產(chǎn)生的電流的方法。

人類一直都從地底挖煤，通過燃燒煤發(fā)電來提供能源。但新的研究發(fā)現(xiàn)，活體植物同樣也蘊藏著發(fā)電的潛能。目前，科學家正在研究如何利用植物發(fā)電。有人已經(jīng)開發(fā)出了以樹木為動力的傳感器，用來監(jiān)測森林的溫度和濕度，以預(yù)警火災(zāi)；還有人則看到了植物發(fā)電的另一種潛能——小草、蘆葦?shù)戎参锔滇尫诺碾娮印？茖W家認為，如果植物發(fā)電開發(fā)成功，將為全球近15億還沒有供電的居民提供一種可靠的電能來源，而且植物發(fā)電還可以幫助減少濕地和稻田中導致氣候變暖的甲烷的排放，因而比太陽能發(fā)電和風能發(fā)電更加綠色。

我們真的能利用植物發(fā)電嗎？有人表示懷疑，物理學家安德里亞·莫森就是其中之一。莫森認為，只要簡單地用導體連接兩塊金屬，就會有電子從一塊金屬流向另一塊金屬。不過，他很快改變了看法。他用無花果盆栽做實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使兩個電極都是用相同的金屬制成的，回路中仍有較小的電流產(chǎn)生。其原理是，氫離子在這個過程中起了作用——氫離子的濃度在土壤中比在樹干液體中略多一些，這足以導致產(chǎn)生一小股電流從樹干流經(jīng)電線到達土壤。

不過，利用樹木發(fā)電的前景似乎并不樂觀。樹木并不能產(chǎn)生人們所期望的那么多的電流，并且這個系統(tǒng)也不能在實際應(yīng)用中放大，因為如果增加更多的傳感器，就需要更多的電流，而這遠遠超過了樹木所能提供的。

植物發(fā)電的故事就此結(jié)束了嗎？沒有。在瓦爾德往樹干上釘釘子的時候，荷蘭瓦赫寧根大學的伯特·哈姆勒斯也沒閑著。

哈姆勒斯的研究方向是微生物燃料電池。他設(shè)想：利用植物根系中的微生物制造一種特殊的燃料電池。

傳統(tǒng)燃料電池的工作原理是：將氧和氫等燃料結(jié)合產(chǎn)生水和電子，然后利用鉑等貴重金屬制成的電極對來帶走氫釋放的電子。哈姆勒斯的做法是：用活體微生物中的酶代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料電池中的金屬電極。這在利用浮游生物和生活污水中的微生物處理有機物的實驗中已經(jīng)取得了成功，但前提是必須持續(xù)供給能提供電子的燃料。哈姆勒斯聯(lián)想到了植物的根系：由光合作用產(chǎn)生的碳水化合物及其他有機物，很多都是從植物根部釋放的，而用微生物分解這些有機物，就可以釋放自由的電子。

樹木顯然不是首選，因為樹木的根太大，而且扎得太深，不容易布設(shè)線路。此外，在微生物分解碳水化合物時，需要將電子傳遞給氧，才能產(chǎn)生水和二氧化碳，但土壤中往往不能提供足夠的氧。不過，哈姆勒斯發(fā)現(xiàn)，如果是在缺氧的水漬土壤中情形就不一樣了：厭氧菌將有機物分解，產(chǎn)生二氧化碳、游離的質(zhì)子和電子。通常這些電子和土壤中的硫酸鹽和硝酸鹽結(jié)合。哈姆勒斯設(shè)想，如果給這些微生物產(chǎn)生的電子安置上合適的電極，或許就可以將這些電子收集起來并直接轉(zhuǎn)移出去。于是，哈姆勒斯和瓦赫寧根大學的環(huán)境生物科學家大衛(wèi)·斯特克一起，開始利用長在氧氣稀薄的鹽堿沼澤中的水草和蘆葦?shù)葴\根植物做實驗。

最初的研究結(jié)果并不理想，僅僅產(chǎn)生了幾毫瓦的電量。但現(xiàn)在實驗室內(nèi)每平方米植物可以產(chǎn)生200毫瓦的電量。也許再過兩年，就能增加到每平方米500毫瓦。按照這個水平，每16平方米植物產(chǎn)生的電量就可以為一部手機充電。

這將是一個很大的進步。不過，這點電量還遠遠不能滿足一個家庭的用電需求。而且在北歐，太陽能或風能發(fā)電量目前已達到每平方米4～7.7瓦，在植物發(fā)電沒有完善之前，太陽能或風能發(fā)電仍是首選。研究者認為，如果想讓植物發(fā)電在能量市場上具有競爭力，對電流強度的要求至少是目前的10~100倍。

盡管如此，研究人員并沒有放棄利用植物發(fā)電的努力。包括植物學家、微生物學家和工程師等在內(nèi)的一些研究人員加入了比利時根特大學的植物發(fā)電研究項目。該項目獲得400萬歐元資助，目的是增加燃料電池的發(fā)電功率，達到每平方米3.2瓦的輸出功率，最終將微生物燃料電池推向市場。

要完成這個宏偉的目標，研究者還有很多工作需要做。首先，必須尋找到能在土壤中分泌更多有機物的植物品種，諸如甜菜之類的植物是最合適的，它們可以將7%的太陽能轉(zhuǎn)化為糖；其次，必須找到土壤中的微生物最適合的混合配比，包括分解有機物的微生物和釋放電子的微生物的比例，以達到最大的發(fā)電功率。

電極的設(shè)計是燃料電池發(fā)電的關(guān)鍵。研究人員使用混有石墨顆粒的泥漿作為陽極，植物的根生長在其中。但這種電極傳遞電子到負極的速度要比電子在負極氧化的速度快，這樣就限制了電池的輸出功率。為此，研究人員給負極提供適當比例的微生物，幫助其更快地將電子、質(zhì)子和氧變成水。

研究人員經(jīng)計算得出：一種屋頂植物發(fā)電系統(tǒng)每年每平方米可以產(chǎn)生14千瓦小時的電量。考慮到荷蘭家庭年平均耗電量是3500千瓦小時，50平方米這樣的屋頂就可以滿足一個家庭20%的用電需求。而且，發(fā)電植物不僅能夠提供照明電量，還具有綠色屋頂?shù)钠渌麅?yōu)點，如隔熱、儲備雨水和野生動物的城市棲息地等。研究人員認為，這項技術(shù)最適宜應(yīng)用在河邊或海邊的沼澤地帶，在那里既可以發(fā)電又不破壞景觀。和傳統(tǒng)的太陽能發(fā)電不同，植物發(fā)電在黑暗中也能進行。只要不妨礙植物生長，植物發(fā)電可以在任何適合的農(nóng)田里發(fā)揮作用。

水稻田排出的甲烷占世界總排放量的20%。

未來的綠色屋頂植物可以部分滿足家庭用電需求。

植物發(fā)電的意義還在于可以在艱難應(yīng)對全球變暖的過程中發(fā)揮重要的作用。適合水稻和蘆葦?shù)戎参锷L的厭氧環(huán)境也是某些厭氧細菌生活的基本環(huán)境，這類細菌分解有機物，釋放電子，產(chǎn)生甲烷（一種潛在的溫室氣體）。水稻田排出的甲烷占世界總量的20%。而在土壤中放置一個陽極，就可以有效捕獲這些電子用于發(fā)電，同時還可以減少甲烷的產(chǎn)生。

斯特克等人現(xiàn)在移植了一株香蕉樹到含有石墨顆粒電極的土壤里，想把它做成一個活體植物充電器。這樣做多少有點寓娛樂于科研。斯特克認為，一旦這株植物能夠發(fā)電，這項設(shè)計將會被推向市場，那時你就會看到給手機充電的香蕉樹。